DE4422039A1 - Überwachungseinrichtung für elektrische Bauelemente, insbesondere für Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für elek­ trische Bauelemente, insbesondere für Relais, welche bei un­ terschiedlichen Umgebungsbedingungen Funktionsparameter des jeweiligen Bauelementes mißt, mit Bezugswerten vergleicht und zumindest einen Teil der gemessenen Daten speichert.

Bei elektrischen Bauelementen, wie Relais, die unter sehr un­ terschiedlichen Umweltbedingungen, beispielsweise in einem sehr großen Temperaturbereich, zum Einsatz kommen, ist es wichtig, daß es von der Konstruktion und von den verwendeten Werkstoffen her so ausgelegt wird, daß es unter diesen unter­ schiedlichen Umweltbedingungen seine Funktion über eine mög­ lichst lange Lebensdauer hinweg zu erfüllen vermag. Um den verschiedenen bekannten Umweltbedingungen Rechnung zu tragen, ist es bereits üblich, solche Bauelemente, wie Relais, in Dauerversuchsanlagen unter verschiedenen Bedingungen zu te­ sten und beim Auftreten von Störungen die Störungsursachen durch Änderung der Konstruktion oder durch die Wahl anderer Materialien zu beseitigen. Bei diesen bekannten Versuchsanla­ gen bzw. Prüfvorrichtungen werden bestimmte Umweltbedingun­ gen, wie extreme Temperaturen, Druckschwankungen und hohe Luftfeuchtigkeiten, im Labor simuliert. Hierbei kann man je­ doch niemals alle im praktischen Einsatz auftretenden Umwelt­ bedingungen erfassen und nachbilden. Deshalb kommt es immer wieder vor, daß beim Einsatz solcher Bauelemente, wie Relais, in einer sehr aggressiven Umgebung, wie etwa in einem Kraft­ fahrzeug, in einer Waschmaschine oder in einer Industrieanla­ ge, Funktionsstörungen und Ausfälle auftreten, deren Ursachen im nachhinein nicht mehr rekonstruiert werden können.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Überwachungsein­ richtung zu schaffen, die es ermöglicht, Relais und andere Bauelemente jederzeit im realen Einsatz und unter realen Um­ gebungsbedingungen auf ihre Funktionstüchtigkeit hin zu prü­ fen und bei einer Störung auch im nachhinein die Bedingungen erforschen zu können, die zu der Störung bzw. zum Ausfall des Bauelementes geführt haben.

Erfindungsgemäß besitzt eine Überwachungseinrichtung zu die­ sem Zweck folgende Merkmale:

• - mindestens einen Sensor zur Gewinnung von Umgebungs-Meß­ werten für mindestens einen Umgebungsparameter,
• - mindestens eine Meßeinrichtung zur Gewinnung von Funk­ tions-Meßwerten für mindestens einen Funktionsparameter bzw. eine Ansteuerbedingung,
• - eine Vergleichseinrichtung, welche die Funktions-Meßwerte und/oder die Umgebungs-Meßwerte mit vorgegebenen Bezugs­ werten vergleicht,
• - Speichermittel, welche von ihrem Bezugswert abweichende Funktions-Meßwerte und/oder Umgebungs-Meßwerte zusammen mit den zeitlich korrelierenden Umgebungs-Meßwerten und/oder Funktions-Meßwerten aufzeichnen, und
• - eine Ausgabe-Schnittstelle.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Prüfeinrichtungen mit aufwendi­ gen Labor-Meßapparaturen und Einrichtungen zur Erzeugung ei­ nes künstlichen Klimas ist die erfindungsgemäße Überwachungs­ einrichtung dazu ausgelegt, das Bauelement in seinem tatsäch­ lichen Einsatz zu begleiten. Das Bauelement, beispielsweise das Relais, kann dabei also ständig unter allen vorhersehba­ ren und auch nicht vorhersehbaren Bedingungen, also klimati­ schen, elektrischen, mechanischen und sonstigen Einflüssen, ständig geprüft werden, wobei durch die Aufzeichnung außerge­ wöhnlicher Betriebszustände auch im nachhinein noch festge­ stellt werden kann, inwieweit das Bauelement unter bestimmten Umweltbedingungen noch funktionsfähig bleibt bzw. welche Um­ weltbedingungen gegebenenfalls im Zusammenwirken Funktions­ störungen erzeugen. Es wird also nicht ein künstliches Prüf­ klima erzeugt, sondern die realen Klimabedingungen am Ein­ satzort des Bauelementes werden über entsprechende Sensoren gemessen. Dabei kann die Überwachungseinrichtung automatisch bei jeder Änderung des Betriebszustandes des Bauelementes ak­ tiviert werden und immer dann wieder abgeschaltet werden, wenn keine von ihrem Bezugswert abweichenden Meßwerte auftre­ ten.

Als Vergleichseinrichtung wird zweckmäßigerweise ein Mikro- Controller verwendet, der mit einem Datenspeicher für die zu speichernden Werte ausgestattet ist und mit entsprechender Programmierung auch eine einfache Auswertung der Meßdaten vornehmen kann. Ein solcher Mikro-Controller beansprucht ein Volumen in der gleichen Größenordnung wie das Bauelement, so daß er in einem ähnlichen Gehäuse wie das Bauelement unmit­ telbar neben diesem oder in einem gemeinsamen Gehäuse mit diesem untergebracht werden kann. Soweit erforderlich, kann auch eine einfache Anzeige mit der Überwachungseinrichtung verbunden werden, um beim Auftreten außergewöhnlicher, ge­ fährlicher Schaltzustände unmittelbar ein entsprechendes Si­ gnal abgeben zu können. Ansonsten ist es zweckmäßig, daß die Überwachungseinrichtung in bestimmten Abständen oder auch für längere Zeitabschnitte mit einem übergeordneten Host-Computer verbunden werden kann, der die gespeicherten Daten übernimmt und auswertet und nach Bedarf Bezugswerte neu eingibt oder ändert, gegebenenfalls auch den Mikro-Controller neu program­ miert. Durch die Datenauswertung in dem Host-Computer oder auch bereits in dem Mikro-Controller ist es beispielsweise möglich, einen Bauteileausfall bereits im voraus abzuschätzen und anzuzeigen.

Die zu messenden und auszuwertenden Parameter können jeweils entsprechend der Art und dem Einsatz des Bauelementes gewählt werden. Ist das Bauelement beispielsweise ein Relais, so wer­ den in der Regel die Erregerspannung sowie die Spannung und der Strom im Lastkreis gemessen, woraus wiederum der Kontakt­ widerstand oder die Lichtbogenbrenndauer berechnet werden kann. Im zeitlichen Vergleich läßt sich dabei das Ansprech­ verhalten ermitteln. Der Kontaktwiderstand wiederum ist un­ mittelbar ein Maßstab für die Kontaktqualität; seine Änderung im Laufe der Zeit und unter verschiedenen Umgebungsbedingun­ gen wirkt sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Relais aus.

Auch die zu messenden Umgebungsparameter können je nach Ein­ satzfall gewählt werden. Wird beispielsweise ein Relais in einem Kraftfahrzeug oder in einer Industrieanlage eingesetzt, so ist ein wesentlicher Umgebungsparameter die Temperatur. Es kann somit festgestellt werden, ob das Relais im zulässigen Umgebungstemperaturbereich einwandfrei arbeitet oder ob bei­ spielsweise eine Überschreitung der zugelassenen Temperatur­ bereiche einen Ausfall des Relais verursacht hat. In vielen Einsatzfällen spielt die Messung der Beschleunigung in allen Richtungen eine wesentliche Rolle, wobei diese Beschleunigun­ gen etwa in einem Kraftfahrzeug durch Vibrationen des Motors oder durch Unebenheiten des Untergrundes bei der Fahrt her­ vorgerufen werden können. Auch die umgebende Atmosphäre kann mit Sensoren erfaßt werden, etwa durch Messung des Luft­ drucks, der Luftfeuchtigkeit oder von Schadgasen und Staub­ partikeln in der Atmosphäre. Diese und andere Einflüsse wer­ den also in ihrer zeitlichen Korrelation erfaßt, so daß auch kumulierende Wirkungen unterschiedlicher Umgebungseinflüsse ausgewertet werden können.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung ist dazu geeig­ net, bestimmte einzelne Bauelemente in ihrem realen Einsatz über längere Zeit zu testen und dadurch Daten über Störungs­ quellen, Ausfallursachen und Störungszusammenhänge zu finden, die wiederum zur Verbesserung des Bauelementes ausgewertet werden können. Da in einem Gerät, in einem Kraftfahrzeug oder einer Industrieanlage, häufig mehrere Bauelemente, beispiels­ weise mehrere Relais, in verschiedenen Funktionen eingesetzt sind, ist es auch möglich, eine Überwachungsanlage vorzuse­ hen, welche mehrere derartige, jeweils einem Bauelement zuge­ ordnete Überwachungseinrichtungen umfaßt, die alle unterein­ ander vernetzt sind und mit einem gemeinsamen Zentralcomputer zusammenarbeiten.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfacht es Blockschaltbild mit einem Relais und einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung,

Fig. 2 ein vereinfachtes Flußdiagramm für den Betrieb der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung und

Fig. 3 die schematische Anordnung mehrerer vernetzter Über­ wachungseinrichtungen in einem Kraftfahrzeug.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung die Anschaltung einer Überwachungseinrichtung an ein Relais, das beispiels­ weise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann. Das Relais 1 enthält eine Spule 2 und einen Schließerkontakt 3. Die Spule 2 liegt in einem Erregerkreis, der von einer Spannungs­ quelle 4 mit einer Erregerspannung V_E versorgt wird. Ein über den Kontakt 3 geführter Lastkreis wird von einer Spannungs­ quelle 5 mit einer Lastspannung V_L versorgt; die Last selbst ist durch einen Widerstand 6 angedeutet. Bei Anordnung in ei­ nem Kraftfahrzeug werden in der Regel jedoch nicht zwei Span­ nungsquellen 4 und 5 vorhanden sein, vielmehr wird über die Fahrzeugbatterie sowohl der Erregerkreis als auch der Last­ kreis gespeist.

Die Überwachungseinrichtung 7 enthält als wesentlichen Teil einen Mikro-Controller 8 mit einem Speicher 9. Er empfängt analoge Meßsignale von Meßgeräten und Sensoren über eine Ana­ log-Digital-Anpassung 10. Für bestimmte Anwendungen, etwa zur Anzeige von Störungen in sensiblen Einrichtungen, kann auch eine kleine Anzeigeeinheit 11 vorhanden sein. Die Funktions­ werte des Relais werden über verschiedene Meßfühler abgegrif­ fen, z. B. die Erregerspannung über einen Spannungsmeßfühler M1, die Spannung am Kontakt über einen Spannungsmeßfühler M2 und der Kontaktstrom über einen Strommeßfühler M3. Die Span­ nung kann auf einfache Weise über Widerstände abgegriffen werden; zur Strommessung kann beispielsweise ein Serienwider­ stand im Kontaktkreis oder ein Hallsensor Verwendung finden.

Weiterhin erhält die Überwachungseinrichtung Meßwerte zu ver­ schiedenen Umgebungsparametern des Relais, die über Sensoren S1, S2 bis Sn gemessen werden. Für ein Relais in einem Fahr­ zeug sind diese Parameter beispielsweise die Temperatur (Motor und Umgebung), der Luftdruck, die Luftfeuchtigkeit, die Beschleunigung in verschiedenen Richtungen usw. Auch ein Zeitgeber ist in der Prüfvorrichtung vorhanden, um die zeit­ liche Änderung verschiedener Funktionen, beispielsweise das Ansprechverhalten des Relais, erfassen zu können.

Ein übergeordneter Host-Computer ist nicht Teil der Überwa­ chungseinrichtung, kann aber nach Bedarf an diese angeschal­ tet werden, um den Mikro-Controller zu programmieren, bei­ spielsweise Bezugswerte, wie Minimaltemperatur, Maximaltempe­ ratur, Maximalwerte für den Kontaktwiderstand usw. vorzugeben und um aus dem Speicher der Überwachungseinrichtung die ge­ speicherten Daten abzufragen und auszuwerten.

Das Flußdiagramm von Fig. 2 zeigt einen möglichen Programm­ ablauf der Überwachungseinrichtung 7 in Fig. 1. Im Programm­ schritt 71 wird die Überwachungseinrichtung zu Beginn des Tests gestartet. Der Programmschritt 72 bewirkt die Initiali­ sierung der Hardware, d. h. die Inbetriebnahme der Meßein­ richtungen und Sensoren. Im Programmschritt 73 werden dann die Parameter für die Software gesetzt, wenn ein Host-Compu­ ter über die Datenein- und -ausgabe 74 angeschaltet ist. Au­ ßerdem werden in diesem Programmschritt 73 die gespeicherten Daten an den Host-Computer ausgegeben.

Über den Prüfschritt 75 wird jeweils abgefragt, ob eine An­ frage vom Host-Computer vorliegt. In diesem Fall geht das Programm zurück zum Schritt 73, um den Datenaustausch mit dem Host-Computer vorzunehmen. Liegt eine solche Anfrage nicht vor, dann wird im Programmschritt 76 eine erste Messung von Strom, Spannung usw. an dem Relais vorgenommen. Im Prüf­ schritt 77 wird festgestellt, ob vorgegebene Bedingungen für eine schnelle Meßfolge vorliegen, beispielsweise eine Ände­ rung des Schaltzustandes am Relais. Ist eine solche Änderung nicht eingetreten, so geht das Programm zurück zum Schritt 75. Liegt die Bedingung für eine schnelle Meßfolge vor, so werden im Programmschritt 78 alle Meßeinrichtungen und Senso­ ren abgefragt, bis eine vorgegebene Meßdauer erreicht ist. Im Prüfschritt 79 wird dann festgestellt, ob aus den gemessenen Werten Ereignisse abzuleiten sind, die gespeichert werden müssen.

Solche Ereignisse, die gespeichert werden müssen, liegen im­ mer dann vor, wenn irgendein gemessener Wert von dem vorgege­ benen Bezugswert abweicht bzw. einen vorgegebenen Bezugswert­ bereich verläßt. Dies kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn die Erregerspannung zu gering ist, wenn der Kontaktwi­ derstand höher liegt als ein Bezugswert, wenn die Umgebungs­ temperatur aus einem vorgegebenen Temperaturbereich heraus­ fällt oder wenn außergewöhnliche Beschleunigungen auftreten. Wenn irgendein derartiges Ereignis eintritt, werden alle zeitlich korrelierenden Meßdaten gespeichert, selbst wenn die übrigen Daten im zulässigen Bereich liegen bzw. das Relais noch normal funktioniert. Diese Speicherung erfolgt im Pro­ grammschritt 80. Liegen solche zu speichernden Ereignisse nicht vor, dann geht das Programm zurück zum Schritt 75.

Wenn die Daten gespeichert sind, werden in der Prüfeinrich­ tung ein Ereigniszähler und ein Fehlerzähler erhöht (Programmschritt 81). Danach werden im Programmschritt 82 der Speicher und die Meßeinrichtung für eine weitere Messung freigegeben. Das Programm kehrt zurück zum Schritt 75.

In Fig. 3 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 13 gezeigt, wel­ ches mehrere Relais 1 mit jeweils einer zugeordneten Überwa­ chungseinrichtung 7 enthält. Alle Überwachungseinrichtungen 7 sind über eine Ringleitung 14 untereinander und mit einem zentralen Host-Computer 15 verbunden. Auf diese Weise wird eine Überwachungsanlage für eine Reihe von Relais in ver­ schiedenen Funktionen im Fahrzeug gebildet. Eine solche An­ wendung wäre beispielsweise denkbar für ein Testfahrzeug, welches bei einer Neuentwicklung des Fahrzeugs in einem Pro­ bebetrieb gleichzeitig die Zuverlässigkeit der an verschiede­ nen Stellen eingesetzten Relais testet.

Claims (14)

1. Überwachungseinrichtung für elektrische Bauelemente, ins­ besondere für Relais, welche bei unterschiedlichen Umgebungs­ bedingungen Funktionsparameter des jeweiligen Bauelementes mißt, mit Bezugswerten vergleicht und zumindest einen Teil der gemessenen Daten speichert, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Merkmale aufweist:

• - mindestens einen Sensor (S1, S2 bis Sn) zur Gewinnung von Umgebungs-Meßwerten für mindestens einen Umgebungsparame­ ter,
• - mindestens eine Meßeinrichtung (M1, M2, M3) zur Gewinnung von Funktions-Meßwerten für mindestens einen Funktionspa­ rameter bzw. eine Ansteuerbedingung des Bauelementes (1),
• - eine Vergleichseinrichtung (8), welche die Funktions-Meß­ werte und/oder die Umgebungs-Meßwerte mit vorgegebenen Bezugswerten vergleicht,
• - Speichermittel (9), welche von ihrem Bezugswert abwei­ chende Funktions-Meßwerte und/oder Umgebungs-Meßwerte zu­ sammen mit den zeitlich korrelierenden Umgebungs- und/oder Funktions-Meßwerten aufzeichnen, und
• - eine Ausgabe-Schnittstelle.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie bei jeder Änderung des Betriebszustandes des Bauelementes (1) automatisch aktiviert wird und nur ab­ schaltet, wenn keine von ihrem Bezugswerten abweichenden Meß­ werte auftreten.

3. Überwachungseinrichtung hach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichseinrichtung ein Mikro-Con­ troller (8) mit einem Speicher (9) vorgesehen ist.

4. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die im Mikro-Controller (8) gespeicherten Daten durch einen Host-Computer (12) abfragbar und auswertbar sind.

5. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mikro-Controller (8) durch eine vorprogrammierte Fehleranalyse ein Ausfall des Bauelementes (1) im voraus berechnet wird.

6. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzeigeeinheit (11) auf­ weist, um bestimmte Fehlerbedingungen selbst anzuzeigen.

7. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sensor zur Messung der Umgebungstemperatur vorgesehen ist.

8. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sensor zur Messung von Beschleunigungen in einer oder mehreren Richtungen vorge­ sehen ist.

9. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sensor vorgesehen ist, der die Beschaffenheit der Atmosphäre in der Umgebung des Bauelementes mißt.

10. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein Relais ist und daß aus den Funktions-Meßwerten das Ansprechverhalten des Re­ lais ermittelt wird.

11. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Funktions-Meßwerten eines Relais Daten über die Kontaktqualität ermittelt werden.

12. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit dem Bauelement (1) in einem Anwendungsgerät (13) untergebracht ist.

13. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit dem Bauelement in ei­ nem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.

14. Überwachungsanlage mit einer Mehrzahl von Prüfeinrichtun­ gen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß in einem Gerät, vorzugsweise einem Kraftfahrzeug, die jeweils einem Bauelement (1) zugeordneten Überwachungs­ einrichtungen (7) miteinander vernetzt sind und daß ein Zen­ tralcomputer (15) die einzelnen Überwachungseinrichtungen (7) abfragt und ihre Daten auswertet.